[发明专利]基于化学气相沉积制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法

说明书

本发明提供了一种基于化学气相沉积制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法，包括：制备二氧化硅醇凝胶或二氧化硅水凝胶；进行溶剂置换获得二氧化硅湿凝胶球或二氧化硅湿凝胶块；基于冷冻干燥方法，干燥获得二氧化硅气凝胶块或二氧化硅气凝胶粉末；基于化学气相沉积法，用气态硅氧烷疏水改性剂和含氨气体催化剂进行疏水改性，冷却后获得疏水性二氧化硅气凝胶粉末或疏水性二氧化硅气凝胶块；疏水性二氧化硅气凝胶块粉碎、研磨获得疏水性二氧化硅气凝胶粉末。本发明设计的制备方法，使用安全环保的硅氧烷疏水改性剂，可以减少改性剂使用量，减少改性剂处理时间，大幅度降低疏水性二氧化硅气凝胶的生产成本，大幅度提高二氧化硅气凝胶的改性效率。

技术领域

本发明涉及疏水性材料技术领域，具体为一种基于化学气相沉积制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法。

背景技术

气凝胶是一种轻质纳米固态材料，最常见的气凝胶为疏水性二氧化硅气凝胶，是一种防热隔热性能非常好的纳米多孔三维网络骨架结构的固体材料，具有低密度、高孔隙率、高比表面积及超级绝热性等优良特性，广泛应用在隔热保温、生物医学、化工、新能源材料和微电子材料制造等领域。

目前，疏水性二氧化硅气凝胶粉的制备方法包括两种，第一种是将干燥后的具有疏水性的块状二氧化硅气凝胶进行粉碎研磨制备出气凝胶粉体；第二种是将二氧化硅湿凝胶粉碎后进行疏水改性，然后进行真空干燥得到气凝胶粉体。例如中国专利CN111960424A，公开了一种超疏水的球形二氧化硅气凝胶材料的制备方法，以水玻璃为硅源，通过球滴法形成球形二氧化硅湿凝胶，老化后再加入疏水改性液进行表面改性，经溶剂置换和干燥(常压干燥、真空干燥或超临界干燥)得到球形疏水改性气凝胶。再例如中国专利CN 103523790A，公开了一种低成本大规模生产疏水气凝胶的气相化学表面修饰方法，采用超临界流体干燥技术实现气凝胶大规模生成。再例如中国专利CN111232992A，公开了一种气凝胶的改性方法，采用有机蒸汽与气凝胶表面羟基化学接枝，通过紫外光照和高温热(200～250℃)处理得到改性气凝胶。

上述几种疏水性二氧化硅气凝胶粉体的制备方法，一方面采用常压干燥方法或超临界干燥方法制备疏水性二氧化硅气凝胶块体及粉末，具有高耗能、危险性大、难以工业化生产的问题；另一方面往往需要使用昂贵的有机硅氧烷前驱体，或者消耗较多的改性剂如三甲基氯硅烷，且制备过程常使用正己烷为置换溶剂，具有毒性大、成本高，干燥过程溶剂蒸发作为废气排出造成污染问题。

发明内容

为了提高二氧化硅气凝胶疏水改性效率，实现低成本、低毒性、低污染、安全生产疏水性二氧化硅气凝胶的目的，本发明提供了一种基于化学气相沉积制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法。

实现发明目的的技术方案如下：一种基于化学气相沉积制备疏水性二氧化硅气凝胶的方法，包括以下步骤：

制备二氧化硅醇凝胶或二氧化硅水凝胶；

用置换溶剂对二氧化硅醇凝胶或二氧化硅水凝胶进行置换，获得二氧化硅湿凝胶球或二氧化硅湿凝胶块；

基于冷冻干燥方法，对二氧化硅湿凝胶球或二氧化硅湿凝胶块进行干燥，获得二氧化硅气凝胶块或二氧化硅气凝胶粉末；

基于化学气相沉积法，用气态硅氧烷疏水改性剂和含氨气体催化剂对二氧化硅气凝胶粉末或二氧化硅气凝胶块进行疏水改性，冷却后获得疏水性二氧化硅气凝胶粉末或疏水性二氧化硅气凝胶块；

对疏水性二氧化硅气凝胶块粉碎、研磨后获得疏水性二氧化硅气凝胶粉末。

本发明设计的疏水性二氧化硅气凝胶的制备方法的原理是：通过冷冻干燥方法或超临界干燥方法干燥得到二氧化硅气凝胶块或二氧化硅气凝胶粉末，通过化学气相沉积法，采用低成本、安全无毒、低污染的气态硅氧烷疏水改性剂，一方面可以大幅度降低疏水性二氧化硅气凝胶粉末的生产成本，另一方面气态硅氧烷疏水改性剂容易进入二氧化硅气凝胶粉末的孔隙内，气态硅氧烷疏水改性剂能够提高对二氧化硅气凝胶粉末的改性效率，可以提高改性效率。